Technical Report NTB 02-14

Stability and Mobility of Colloids in Opalinus Clay

La formation d'argiles à Opalinus du nord de la Suisse est actuellement étudiée en vue de la construction d'un dépôt pour éléments combustibles usés, déchets de haute activité vitrifiés et déchets de moyenne activité à vie longue. Le concept suisse pour le stockage des déchets radioactifs repose sur un système de barrières multiples. Dans le champ proche, les éléments combustibles usés et les déchets de haute activité vitrifiés sont confinés dans des conteneurs en acier massif entourés par une barrière de bentonite compactée. Les déchets de moyenne activité à vie longue sont stockés dans des galeries séparées et enrobés de ciment. Dans la géosphère, la roche d'accueil sert de barrière à la migration des radionucléides. La présente étude concerne la capacité potentielle des particules colloïdales mobiles à transporter les radionucléides dans les argiles à Opalinus (géosphère). Posant comme hypothèse que, dans les argiles à Opalinus, les zones de fractures ne constituent pas des voies d'écoulement préférentielles, seul le transport par convection-diffusion dans la matrice rocheuse a été étudié.
 
De nombreuses études suggèrent que, dans des sols poreux, les particules colloïdales mobiles pourraient servir de vecteur à des polluants fortement sorbants, par exemple à de nombreux radionucléides, et par là faciliter les processus de migration. Ce rapport a pour objectifs (i) l'étude de la composition potentielle des particules colloïdales dans les argiles à Opalinus, (ii) l'estimation de la stabilité des colloïdes dans les argiles à Opalinus, en fonction de la composition chimique des eaux interstitielles, (iii) l'étude de la mobilité potentielle des particules colloïdales dans les argiles à Opalinus, en variant les paramètres relatifs aux conditions d'écoulement et aux types d'interaction entre les colloïdes et la matrice rocheuse.
 
Les types de colloïdes présents dans les argiles à Opalinus ont été déduits de la composition de la roche et de l'eau interstitielle de référence: il s'agit de particules minérales argileuses, de quartz, de calcite, d'oxydes de fer et de matières organiques. Les données publiées sur la charge de surface et la stabilité de ces types de particules colloïdales permettent de conclure que celles-ci formeraient rapidement des agrégats dans l'eau interstitielle des argiles à Opalinus, qui a une force ionique élevée (~ 0.1- 0.3 M) et un pH neutre à faiblement alcalin (~ 6.8-8.2).
 
Sur la base de la texture des argiles à Opalinus et des paramètres hydrologiques, des calculs de diffusion simple, d'advection et de filtrage des colloïdes ont été effectués. Les particules colloïdales minérales d'une taille supérieure à ∼ 60 nm ont une mobilité relativement faible, car elles se sédimentent en raison de la force de gravitation. Par ailleurs, la structure mésoporeuse des argiles à Opalinus tendra à limiter la mobilité de ces particules par filtrage physique. Les particules colloïdales d'une taille n'excédant pas ∼ 60 nm devraient, par le biais des processus de diffusion, migrer de l'eau interstitielle vers des surfaces immobiles de la matrice où elles se déposeraient. Les distances maximales sur lesquelles les particules colloïdales peuvent être transportées (pour un filtrage de 99.99 % des particules), telles qu'elles ont été calculées, sont en conséquence inférieures à 1 m, même dans les scénarios les plus conservateurs. En résumé, on considère que la mobilité des colloïdes dans les argiles à Opalinus est très faible, pour les raisons suivantes: (i) la force ionique élevée de l'eau interstitielle, avec pour conséquence une stabilité colloïdale réduite, (ii) la structure mésoporeuse des argiles à Opalinus qui entraîne un filtrage physique des colloïdes, (iii) une conductivité hydraulique et une vitesse advective de l'eau interstitielle très basses dans les argiles à Opalinus, (iv) une vitesse de diffusion des particules colloïdales bien inférieure à celle des radionucléides dissous.
 
En conclusion, les argiles à Opalinus contiennent différents types de particules pouvant constituer des colloïdes, mais leur stabilité et leur mobilité seront probablement très réduites en raison de différents facteurs physiques et chimiques. De ce fait, dans les argiles à Opalinus, la probabilité que les colloïdes facilitent le transport des nuclides est très faible – pour autant que les fractures ne constituent pas des voies d'écoulement. Si des études hydrogéologiques ultérieures mettaient en évidence des fractures pouvant servir de voies d'écoulement, le rôle des colloïdes devrait être revu. La composition du carbone organique et du carbone organique dissous dans les argiles à Opalinus, ainsi que leur rôle potentiel pour la migration des radionucléides dans les argiles à Opalinus, nécessitent par ailleurs des études complémentaires.